JP2002006234A - 全周観察装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】観察範囲を高さ方向に変更可能な、小型の全周
観察装置を提供する。 【解決手段】窓１０１と、窓１０１から取り込まれた光
束を偏向する偏向光学系１０２と、偏向光学系１０２で
偏向された光束を通過させる開口絞り１０４と、光束を
結像する結像光学系１０６と、窓が光束を取り込む方位
を回転させる回転機構１０ｂと、該回転に伴う像回転を
補償する像回転補償手段１０５と、偏向光学系１０２と
結像光学系１０６との距離を伸縮させる伸縮機構１０ｃ
とを含む。結像光学系１０６は、予め定められた画角が
得られる入射瞳を、光軸２の方向にそって２以上の位置
に有し、伸縮機構１０ｃは、伸縮に伴って開口絞り１０
４を入射瞳の位置のいずれかに移動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、全周観察可能な監
視装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、パノラマ監視装置等に用いられる
全周観察光学系として、図２のような構成のものが知ら
れている。図２の全周観察光学系は、光軸１上に配置さ
れた窓２０１と、光軸１を光軸２に偏向する反射ミラー
２０２とを有する。光軸２上には、反射ミラー２０２側
から順に変倍レンズ２０３、開口絞り２０４、イメージ
ローテータ２０５、結像レンズ２０６、撮像素子２０７
が配置されている。この全周観察光学系は、窓２０１と
反射ミラー２０２からなる頭部を一体として、光軸２を
中心に回動させる回転機構部（不図示）を有し、これに
より観察者による全方位の観察を可能とする。このと
き、頭部の回転に伴う撮像素子２０７上の像の回転を補
正するために、イメージローテータ２０５が配置されて
いる。窓２０１を通過し、反射ミラー２０２で反射され
た外部からの光束は、変倍レンズ２０３と開口絞り２０
４を通過した後、イメージローテータ２０５で複数回反
射され、結像レンズ２０６によって撮像素子２０７上に
結像される。このとき、観察方位を回転させるために、
頭部を光軸２を中心にθ度回転させた場合には、それと
連動させてイメージローテータ２０５を光軸２を中心に
（θ／２）度回転させる。このイメージローテータ２０
５の回転により、撮像素子２０７上での像の上下関係を
常に観察対象と一致させることができ、観察者は観察方
位によらず観察対象と等しい上下関係で観察することが
できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の全周観察光
学系では、窓２０１の高さが撮像素子２０７に対して固
定であり、観察範囲を高さ方向で変更することはできな
いため、観察範囲を高さ方向に可変の全周観察光学系が
望まれている。これを実現するためには、光軸方向に鏡
筒を伸縮させて、窓２０１と反射ミラー２０２からなる
頭部を撮像素子２０７に対して昇降させ、頭部と撮像素
子２０７との距離を可変とする機構部を設けることが考
えられる。このとき、撮像素子２０７の画角を頭部の高
さにかかわらず一定にするためには、頭部と撮像素子２
０７との距離が最も遠い配置で所望の画角を実現するた
めの光束の広がりが、反射ミラー２０２で蹴られること
なくすべて反射されるように反射ミラー２０２の径を設
計する必要がある。このため、頭部を撮像素子２０７に
対して上下動可能な構成にした場合、頭部の高さが固定
の場合よりも、反射ミラー２０２の径が大きくなり、装
置の大型化を招く。

【０００４】これを防ぐために、鏡筒を伸縮させずに反
射ミラー２０２と撮像素子２０７との距離を保ったま
ま、全周観察光学系の全体を昇降させる構成も考えられ
る。しかしながら、昇降させるのが装置全体になるた
め、重量も大きく、可動機構部の大型化、昇降時の操作
時間の長時間化、消費電力の増加は避け難い。

【０００５】本発明は、観察範囲を高さ方向に変更可能
な、小型の全周観察装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、以下のような全周観察装置が提供
される。

【０００７】すなわち、窓と、前記窓から取り込まれた
光束を偏向する偏向光学系と、前記偏向光学系で偏向さ
れた光束を結像する結像光学系と、前記窓が前記光束を
取り込む方位を回転させる回転機構と、該回転に伴う像
回転を補償する像回転補償手段と、前記偏向光学系と前
記結像光学系との距離を伸縮させる伸縮機構とを含み、
前記結像光学系は、光軸方向に２以上の位置に入射瞳を
有することを特徴とする全周観察装置である。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態の全周観察
装置について図面を用いて説明する。

【０００９】まず、第１の実施の形態の全周観察装置に
ついて説明する。本実施の形態の全周観察装置は、図１
のように、光軸１上に配置された窓１０１と、光軸１を
折り曲げて光軸２とする反射ミラー１０２とを有する。
光軸２上には、反射ミラー１０２側から順に、開口絞り
１０４、イメージローテータ１０５、結像レンズ１０
６、撮像素子１０７が配置されている。

【００１０】これらは、図１１（ａ）のように第１鏡筒
１０および第２鏡筒１１内に配置されている。第１鏡筒
１０は、頭部鏡筒１０ａと、昇降部１０ｃと、頭部鏡筒
１０ａを昇降部１０ｃに対して光軸２を中心に回転させ
る回転機構１０ｂとを含んでいる。第２鏡筒１１には、
第１鏡筒１０の昇降部１０ｃを収容する収容部１１ａ
と、イメージローテータ１０５を回転させるための回転
機構１１ｂとが設けられている。不図示の昇降機構によ
り、図１１（ａ），（ｂ）のように、収容部１１ａに沿
って昇降部１０ｃを昇降させることにより、第１鏡筒１
０を第２鏡筒１１に対して上下させることができ、鏡筒
全体が伸縮する。本実施の形態では、不図示の昇降機構
は、第１鏡筒１０を図１１（ａ）に示した下部観察位置
と、図１１（ｂ）に示した上部観察位置の２箇所で、第
１鏡筒１０を停止させるように構成されている。

【００１１】窓１０１と反射ミラー１０２は、第１鏡筒
１０の頭部鏡筒１０ａ内に配置されている。また、第１
鏡筒１０の一部は、開口絞り１０４を構成している。ま
た、イメージローテータ１０５，結像レンズ１０６，撮
像素子１０７は、第２鏡筒１１内に配置されている。

【００１２】観察すべき外部からの光束は、窓１０１を
通過し、反射ミラー１０２で反射し、開口絞り１０４で
光束を制限された後、イメージローテータ１０５に入射
する。イメージローテータ１０５は、図３のように２つ
のプリズムの傾斜面を一定の間隔を開けてつきあわせた
構成であり、内部で光束を奇数回数反射する。イメージ
ローテータ１０５を出射した光束は、結像レンズ１０６
によって撮像素子１０７の撮像面に結像され、撮像素子
１０７によって撮像される。

【００１３】観察方位を変える場合には、回転機構１０
ｂを不図示の駆動源によって駆動し、頭部鏡筒１０ａを
光軸２を中心に回転させる。これにより、窓１０１と反
射ミラー１０２は、光軸２を中心に回動し、窓１０１が
向けられた方位の光束が取り込まれ、全周観察が可能に
なる。このとき、頭部鏡筒１０ａの回転量をθ度とする
と、これと連動させてイメージローテータ１０５を（θ
／２）度回転させることにより、観察者はどの方位の像
も観察対象と等しい上下関係で観察することができる。

【００１４】また、本実施の形態では、観察位置を図１
１（ａ），（ｂ）のように上下２箇所に変更可能としな
がらも、反射ミラー１０２の径を小さくするため、図
５，図６のように、結像レンズ１０６として、光軸２の
方向にそって２箇所に入射瞳を有するものを用いてい
る。２箇所とは、結像面から距離Ａだけ離れた位置と、
距離Ｂだけ離れた位置である。よって、結像面（撮像素
子１０７の撮像面）から距離Ａだけ離れた位置におい
て、予め定めた所望の画角ａの広がりをもつ光束は、結
像レンズ１０６によって結像面に収差補正された像を結
像する。また、結像面から距離Ｂだけ離れた位置におい
て、前記所望の画角ａと同じ画角ａの広がりをもつ光束
も、結像レンズ１０６によって結像面に収差補正された
像を結像する。この入射瞳の位置を定める距離Ａと距離
Ｂは、図１１（ａ）、（ｂ）のように、下部観察位置に
第１鏡筒１０を配置した場合の開口絞り１０４と撮像素
子１０７との距離と、上部観察位置に第１鏡筒１０を配
置した場合の開口絞り１０４と撮像素子１０７との距離
Ｂにそれぞれ等しい。よって、観察位置を高さ方向に変
更するために、第１鏡筒１０を上下動させて、図１１
（ａ）、（ｂ）の下部および上部観察位置のどちらの配
置とした場合にも、同じ画角ａで収差補正された像を観
察することができる。

【００１５】このように、結像レンズ１０６が入射瞳を
光軸２に沿って高い位置と低い位置の２箇所に有してい
るため、開口絞り１０４と反射ミラー１０２との距離
を、常に一定にすることが可能である。よって、観察位
置を上部と下部とで変更するために第１鏡筒１０を昇降
させても、開口絞り１０４で画角ａの広がりをもつ光束
の反射ミラー１０２の位置での光束径は、常に一定であ
る。これにより、第１鏡筒１０のみを上下させて観察高
さを変更可能な構成でありながら、反射ミラー１０２の
径は、観察位置固定の場合と同じ大きさにすることがで
きる。

【００１６】このように、本実施の形態の全周観察装置
は、鏡筒を伸縮させて観察範囲を高さ方向に変更可能で
あり、広い観察範囲を実現することができる。しかも、
観察範囲を上下させても、反射ミラー１０２の径を大き
くする必要がないため、反射ミラー１０２、窓１０１お
よび第１鏡筒１０の径が小さく、小型な装置を得ること
ができる。また、観察範囲を高さ方向に変更する際に、
小型の第１鏡筒１０のみを昇降させ、鏡筒を伸縮させる
構成であるため、装置全体を昇降させる場合と比較し、
昇降のための駆動機構および駆動源が小型となり、駆動
源の消費電力も小さくなる。

【００１７】また、本実施の形態の全周観察装置は、図
１１（ａ）に示した下部観察位置と、図１１（ｂ）に示
した上部観察位置の２箇所で停止させた状態でそれぞれ
観察範囲が定まるが、この２箇所の間で第１鏡筒１０を
昇降させている最中であっても、撮像素子１０７で撮像
される像がとぎれることはない。また、２つの観察位置
の間で開口絞り１０４が移動する領域は、結像レンズ１
０６の２つの入射瞳に挟まれているため、完全ではない
が画角ａをほぼ実現することができる。よって、２つの
観察位置間で第１鏡筒１０を移動させている最中も、観
察像がとぎれたり、画角に大きな変化が生じることはな
く、観察対象を連続して観察しながら観察範囲を上下さ
せることができるという効果も得られる。

【００１８】ここで、上述の２箇所に入射瞳を有する結
像レンズ１０６の具体例を示す。ここでは、結像レンズ
１０６の焦点距離は１３５ｍｍ、Ｆナンバーは４．５、
最大画角は２．３４度とした。また、図５の下部観察位
置で開口絞り１０４とイメージローテータ１０５との距
離は３０ｍｍ、図６の上部観察位置で開口絞り１０４と
イメージローテータ１０５との距離は５３０ｍｍとし、
それぞれの開口絞り１０４の位置に結像レンズ１０が入
射瞳を有するように設計した。また、ここでは、結像レ
ンズ１０６は、撮像素子１０７に３色分解プリズムを用
いるＨＤＴＶカメラ等を用いることを想定し、この３色
分解プリズムを結像レンズ１０６に含めて設計を行って
いる。

【００１９】結像レンズ１０６の具体的なレンズデータ
を表１に示す。表１のデータは、図５の配置の場合の偏
向光学系１０２から結像レンズ１０６までのレンズデー
タであり、実際の光線進行方向と同じ順序で示し、Ｒｉ
は、各レンズの曲率半径、Ｄｉは各レンズのレンズ面間
の間隔、ｉは、ＲとＤの番号、ｎｄはｄ線の屈折率、ν
ｄは、各レンズのｄ線のアッベ数を示す。

【００２０】

【表１】

【００２１】また、表１のレンズを図５の下部観察位置
の配置とした場合の、球面収差、非点収差、歪曲収差を
図７に、横収差を図８にそれぞれ示す。また、表１のレ
ンズを図６の上部観察位置の配置とした場合の、球面収
差、非点収差、歪曲収差を図９に、横収差を図１０にそ
れぞれ示す。これらより、いずれも、良好に収差補正が
補正されており、光軸方向の２箇所に入射瞳を有する結
像レンズ１０６が実現されていることが確認できる。し
かも、表１の結像レンズ１０６は、撮像素子１０７とし
て３色分解プリズムを用いるＨＤＴＶカメラを想定し、
この３色分解プリズムを結像レンズ１０６に含めた設計
であるが、このような高性能な特性が要求される光学系
においても収差が良好に補正されている。

【００２２】このように、第１の実施の形態の全周観察
装置は、入射瞳位置を２箇所に設けることにより、装置
を小型に保ったまま、観察位置を高さ方向の２箇所に変
更するために光学系の全長を伸縮可能にすることができ
る。これにより、小型で、観測範囲を拡大することが可
能である。

【００２３】つぎに、第２の実施の形態の全周観察装置
について説明する。

【００２４】第２の実施の形態の全周観察装置は、図４
に示すように、反射ミラー１０２と開口絞り１０４との
間に、アフォーカル系の変倍レンズ４０３を配置した構
成である。他の構成は、第１の実施の形態の全周観察装
置と同じである。変倍レンズ４０３は、反射ミラー１０
２から入射する画角ａ2の広がりを有する光束を、画角
ａの広がりに絞って開口絞り１０４に入射させるように
設計されている。これにより、開口絞り１０４、イメー
ジローテータ１０５、結像レンズ１０６の構成は、画角
ａを観察するための設計のままで、撮像素子１０７に結
像する像の画角を画角ａ2に拡大することができる。な
お、反射ミラー２は、変倍レンズ４０３が拡大する画角
ａ2の光束を反射できる径を有するものを用いる。

【００２５】このように、変倍レンズ４０３を開口絞り
１０４よりも反射ミラー１０２側に配置したことによ
り、変倍レンズ４０３の開口絞り１０４側の光束の広が
りが画角ａに保たれるため、結像レンズ１０６の収差補
正には影響がない。したがって、結像レンズ１０６の設
計は変倍レンズがない場合と同じでよい。また、変倍レ
ンズ４０３は、開口絞り１０４側の光束の広がりが画角
ａであれば、倍率の異なる他のレンズに交換することが
できるため、結像レンズ１０６を変えることなく、変倍
レンズ４０３の交換のみにより結像倍率の変更を容易に
行うことができる。

【００２６】このように、第２の実施の形態の全周観察
装置は、観察範囲を高さ方向に変えることに加え、結像
倍率も可変である。したがって、第１の実施の形態の全
周観察装置よりも、よりいっそう広範囲な観察範囲を得
ることが可能になる。

【００２７】なお、上述してきた第１および第２の実施
の形態では、結像レンズ１０６として、入射瞳を高さ方
向に２箇所に有するものを用い、観察範囲を上部と下部
の２箇所に変更可能な構成であったが、入射瞳の位置は
２箇所に限られるものではない。結像レンズ１０６とし
て、入射瞳を所望の３箇所以上の複数箇所に有するよう
に設計し、開口絞り１０４を各入射瞳の位置で停止させ
るように昇降させることにより、３以上の観察範囲を高
さ方向に有する全周観察装置を得ることができる。

【００２８】また、上述の第１および第２の実施の形態
では、頭部鏡筒１０ａを光軸２を中心に回転させた場合
の像回転を補償するために、イメージローテータ１０５
を用いているが、像回転を補償する手段は、イメージロ
ーテータ１０５に限られるものではない。例えば、イメ
ージローテータ１０５を用いずに、撮像素子１０７に画
像処理装置を取り付け、回転機構１０ｂの回転量に応じ
て、画像処理装置が撮像素子１０７の撮像した像を回転
させることにより、像回転を補償する構成にすることも
可能である。

【００２９】

【発明の効果】上述してきたように、本発明によれば、
観察範囲を高さ方向に変更可能な、小型の全周観察装置
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の全周観察装置の構
成を示すブロック図。

【図２】従来の全周観察装置の構成を示すブロック図。

【図３】本発明の第１の実施の形態の全周観察装置に用
いるイメージローテータ１０５の構成を示す説明図。

【図４】本発明の第２の実施の形態の全周観察装置の構
成を示すブロック図。

【図５】本発明の第１の実施の形態の全周観察装置にお
いて、下部観察位置に反射ミラー１０２を配置した場合
の開口絞り１０４と結像レンズ１０６の結像面の位置と
の関係、ならびに光路を示す説明図。

【図６】本発明の第１の実施の形態の全周観察装置にお
いて、上部観察位置に第１鏡筒１０を配置した場合の開
口絞り１０４と結像レンズ１０６の結像面の位置との関
係、ならびに光路を示す説明図。

【図７】本発明の第１の実施の形態の全周観察装置にお
いて、下部観察位置に第１鏡筒１０を配置した場合の球
面収差、非点収差、歪曲収差を示すグラフ。

【図８】本発明の第１の実施の形態の全周観察装置にお
いて、下部観察位置に第１鏡筒１０を配置した場合の横
収差を示すグラフ。

【図９】本発明の第１の実施の形態の全周観察装置にお
いて、上部観察位置に第１鏡筒１０を配置した場合の球
面収差、非点収差、歪曲収差を示すグラフ。

【図１０】本発明の第１の実施の形態の全周観察装置に
おいて、上部観察位置に第１鏡筒１０を配置した場合の
横収差を示すグラフ。

【図１１】本発明の第１の実施の形態の全周観察装置に
ついて、（ａ）下部観察位置に第１鏡筒１０を下降させ
た状態の構成を示す断面図、（ｂ）上部観察位置に第１
鏡筒１０を上昇させた状態の構成を示す断面図。

【符号の説明】

１…光軸、２…光軸、１０…第１鏡筒、１０ａ…頭部鏡
筒、１０ｂ…回転機構、１０ｃ…昇降部、１１…第２鏡
筒、１１ａ…収容部、１１ｂ…回転機構、１０１…窓、
１０２…反射ミラー、１０４…開口絞り、１０５…イメ
ージローテータ、１０６…結像レンズ、１０７…撮像素
子、２０１…窓、２０２…反射ミラー、２０３…変倍レ
ンズ、２０４…開口絞り、２０５…イメージローテー
タ、２０６…結像レンズ、２０７…撮像素子、４０３…
変倍レンズ。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H039 AA07 AB01 AB22 AB45 2H087 KA00 KA03 LA01 PA05 PA16 PB09 QA02 QA06 QA12 QA22 QA25 QA32 QA42 QA45 RA34 RA41 5C022 AA01 AB62 AC27 AC42 AC51 AC54 AC56 AC74

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】窓と、前記窓から取り込まれた光束を偏向
   する偏向光学系と、前記偏向光学系で偏向された光束を
   結像する結像光学系と、前記窓が前記光束を取り込む方
   位を回転させる回転機構と、該回転に伴う像回転を補償
   する像回転補償手段と、前記偏向光学系と前記結像光学
   系との距離を伸縮させる伸縮機構とを含み、 前記結像光学系は、光軸方向に２以上の位置に入射瞳を
   有することを特徴とする全周観察装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の全周観察装置において、
   前記偏向光学系と結像光学系との間に開口絞りを有し、
   前記伸縮機構は、前記伸縮により、前記２以上の入射瞳
   のいずれかの位置に前記開口絞りを移動させることを特
   徴とする全周観察装置。
3. 【請求項３】窓と、前記窓から取り込まれた光束を偏向
   する偏向光学系と、前記偏向光学系で偏向された光束を
   通過させる開口絞りと、前記開口絞りを通過した光束を
   結像する結像光学系と、前記窓が前記光束を取り込む方
   位を回転させる回転機構と、該回転に伴う像回転を補償
   する像回転補償手段と、前記偏向光学系と前記結像光学
   系との距離を伸縮させる伸縮機構とを含み、 前記結像光学系は、予め定められた画角が得られる入射
   瞳を、光軸方向にそって２以上の位置に有し、前記伸縮
   機構は、前記伸縮に伴い前記開口絞りを前記入射瞳の位
   置のいずれかに移動させることを特徴とする全周観察装
   置。
4. 【請求項４】請求項２または３に記載の全周観察装置に
   おいて、前記伸縮機構は、前記偏向光学系と前記開口絞
   りとの距離を保ったまま、前記伸縮を行う構成であるこ
   とを特徴とする全周観察装置。
5. 【請求項５】請求項２または３に記載の全周観察装置に
   おいて、前記開口絞りと前記偏向光学系との間には、前
   記偏向光学系からの光束の広がり角を前記結像光学系の
   画角の広がり角に変換する変倍光学系が配置されている
   ことを特徴とする全周観察装置。